Thermodynamik: Die Grundgesetze der Energie- und Stoffumwandlungen

632 Pages·2006·5.312 MB·German

by  Professor Dr.-Ing. Klaus Lucas (auth.)

Springer-Lehrbuch
Klaus Lucas
Thermodynamik
Die Grundgesetze der Energie-
und Stoffumwandlungen
5.,korrigierteunderweiterteAuflage
Mit237Abbildungenund20Tabellen
123
ProfessorDr.-Ing.KlausLucas
ProfessorfürThermodynamik
LehrstuhlfürTechnischeThermodynamik
Rheinisch-WestfälischeTechnischeHochschuleAachen
Schinkelstraße8
52062Aachen
Deutschland
[email protected]
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ISBN-13 978-3-540-26265-7 5.Aufl.SpringerBerlinHeidelbergNewYork
ISBN 3-540-14014-X 4.Aufl.Springer-VerlagBerlinHeidelbergNewYork
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Vorwort zur 5. Auflage
Energie-undStoffumwandlungensinddiegrundlegendenProzesse,aufdenen
unsere Zivilisation beruht. Sie laufen in vielf¨altigen technischen Strukturen
ab, deren Gr¨oßenbereich sich von kleinen Anlagen im Labormaßstab bis hin
zugroßtechnischenStandortenerstreckt.EinenerstenEinstiegindieAnalyse
solcherProzessevermitteltdieThermodynamik.SiebeschreibtdieUmwand-
lungenaufderGrundlagevonallgemeinenBilanzgleichungensowiespeziellen
Modellans¨atzenfu¨r dasVerhaltenderbeteiligtenStoffe, unabh¨angigvonden
vielf¨altigen technischen Aspekten der zugeh¨origenMaschinenund Apparate.
Der vorliegende, nunmehr in der fu¨nften Auflage erscheinende Text be-
tont die Rolle der Thermodynamik als systemanalytische Wissenschaft. Das
erste Kapitel stellt die allgemeinen Erkenntnisseu¨ber Energie- und Stoffum-
wandlungen zusammen und erl¨autert die wesentlichen Abstraktionsschrit-
te einer thermodynamischen Analyse. Im zweiten Kapitel werden die fu¨r
die Anwendungen entscheidenden Eigenschaften fluider Materie zun¨achst
ph¨anomenologischund daraufaufbauend durchStoffmodelle beschrieben. In
den anschließenden drei Kapiteln erfolgen die allgemeine Formulierung der
Bilanzen fu¨r Materie, Energie und Entropie und ihre Anwendung auf exem-
plarischeProzesse.Es wirddabeideutlich,dassdie L¨osungeinespraktischen
Problemszun¨achstdiedaraufzugeschnitteneAufstellungderBilanzgleichun-
gen und danach ihre Auswertung mit Hilfe spezieller Stoffmodelle erfordert.
InsbesonderedieDiskussionderEntropiebilanzinVerbindungmitdemzwei-
ten Hauptsatz der Thermodynamik fu¨hrt auf zwei Grenzf¨alle der thermody-
namischen Analyse, den reversiblen Prozess fu¨r Energieumwandlungen und
den Gleichgewichtsprozess fu¨r Stoffumwandlungen. Beide Grenzf¨alle erlau-
ben eine einfache und doch praktisch aussagef¨ahige Analyse energie- und
stoffumwandelnder Prozesse. Dies wird in jeweils eigenen Kapiteln an Hand
ausgew¨ahlter Beispiele fu¨r Energieumwandlungen und fu¨r Stoffumwandlun-
gen ausfu¨hrlich dargestellt.
In der nun vorgelegten fu¨nften Auflage habe ich einige A¨nderungen
und Erg¨anzungen vorgenommen. So habe ich die Energiebilanz straffer
formuliert und dabei einige Wiederholungen vermieden. Insbesondere habe
ich zu jedem Kapitel U¨bungsaufgaben hinzugefu¨gt, deren Ergebnisse in
einem zus¨atzlichen Anhang E zusammengestellt sind. Sie sollen dem Leser
eine Kontrolle seines Lernerfolges jenseits der durchgerechneten Beispiele
VI Vorwort
erm¨oglichen. Fu¨r die Ausfu¨hrung bin ich Frau E. Frach dankbar. M¨oge das
Buch auch weiterhin Studenten und Ingenieuren in der Praxis helfen, die
Nu¨tzlichkeit der thermodynamischen Analyse zu erkennen und in praktische
Probleml¨osungen umzusetzen.
Aachen, im Sommer 2005 K.Lucas
Inhaltsverzeichnis
1. Allgemeine Grundlagen................................... 1
1.1 Energie- und Stoffumwandlungen ......................... 1
1.1.1 Energieumwandlungen ............................ 2
1.1.2 Stoffumwandlungen............................... 6
1.1.3 Energie- und Stoffumwandlungen in technischen Pro-
zessen........................................... 9
1.1.4 Allgemeine Schlussfolgerungen ..................... 11
1.2 Die thermodynamische Analyse .......................... 13
1.2.1 Das thermodynamische System..................... 14
1.2.2 Das System als fluide Phase ....................... 25
1.2.3 Prozess und Zustands¨anderung..................... 29
1.3 Kontrollfragen ......................................... 30
2. Fluide Phasen ............................................ 33
2.1 Materiemenge und thermische Zustandsgr¨oßen ............. 34
2.1.1 Die Materiemenge ................................ 34
2.1.2 Das Volumen .................................... 38
2.1.3 Der Druck....................................... 38
2.1.4 Die Temperatur .................................. 42
2.2 Reinstoffe ............................................. 50
2.2.1 Der Gaszustand.................................. 51
2.2.2 Verdampfung und Kondensation ................... 53
2.2.3 Das Nassdampfgebiet ............................. 59
2.2.4 Kritischer Punkt und Tripelpunkt .................. 60
2.2.5 Schmelzen und Erstarren.......................... 62
2.2.6 Das gesamte Zustandsgebiet ....................... 63
2.3 Gemische.............................................. 65
2.3.1 Verdampfung und Kondensation ................... 66
2.3.2 Verdunstung und Absorption ...................... 74
2.3.3 Entmischung in flu¨ssigen Gemischen ................ 76
2.3.4 Schmelzen und Erstarrenin Gemischen ............. 78
2.3.5 Chemische Eigenschaften.......................... 80
2.4 Stoffmodelle fu¨r Reinstoffe............................... 83
2.4.1 Die Dampftafel................................... 84
VIII Inhaltsverzeichnis
2.4.2 Gase bei niedrigen Dru¨cken........................ 85
2.4.3 Flu¨ssigkeiten..................................... 87
2.5 Stoffmodelle fu¨r Gemische ............................... 87
2.5.1 Partielle Gr¨oßen.................................. 87
2.5.2 Gasgemische..................................... 90
2.5.3 Gas/Dampf-Gemische............................. 92
2.5.4 Flu¨ssige Gemische ................................ 98
2.6 Kontrollfragen ......................................... 104
2.7 Aufgaben.............................................. 105
3. Die Materiemengenbilanz................................. 115
3.1 Materiemengenbilanz bei thermischen Energie- und Stoffum-
wandlungen............................................ 116
3.1.1 Umwandlungen reiner Stoffe ....................... 117
3.1.2 Umwandlungen von Gemischen..................... 118
3.2 Materiemengenbilanz bei chemischen Energie- und Stoffum-
wandlungen............................................ 126
3.2.1 Vollst¨andig ablaufende Reaktionen.................. 127
3.2.2 Unvollst¨andig ablaufende Reaktionen ............... 133
3.2.3 Die Elementenbilanz .............................. 140
3.3 Kontrollfragen ......................................... 143
3.4 Aufgaben.............................................. 144
4. Die Energiebilanz......................................... 147
4.1 Die Erscheinungsformender Energie ...................... 148
4.1.1 Mechanische Energieformen........................ 148
4.1.2 Innere Energie und Enthalpie ...................... 157
4.1.3 Die Energieform W¨arme........................... 162
4.2 Energiebilanzgleichungen ................................ 165
4.2.1 Geschlossene Systeme............................. 165
4.2.2 Offene Systeme .................................. 168
4.2.3 Kreisprozesse .................................... 172
4.3 Energiebilanzen bei thermischen Zustands¨anderungen ....... 175
4.3.1 Prozesse mit reinen Stoffen ........................ 175
4.3.2 Prozesse mit Gemischen........................... 188
4.4 Energiebilanzen bei chemischen Zustands¨anderungen........ 217
4.4.1 Thermischer und chemischer Anteil ................. 218
4.4.2 Die Standardbildungsenthalpie ..................... 222
4.4.3 Der Heizwert .................................... 229
4.5 Das Energieflussbild .................................... 241
4.6 Kontrollfragen ......................................... 243
4.7 Aufgaben.............................................. 245
Inhaltsverzeichnis IX
5. Die Entropiebilanz........................................ 257
5.1 Entropie .............................................. 260
5.1.1 Reversibilit¨at und Dissipation...................... 260
5.1.2 Dissipation, W¨arme und Entropie .................. 276
5.1.3 Entropieproduktion bei Energietransfer u¨ber
Temperatur- und Druckdifferenzen.................. 280
5.1.4 Entropiebilanz und 2. Hauptsatz ................... 283
5.1.5 Entropie und Ordnung ............................ 287
5.2 Die Entropie als Zustandsgr¨oße........................... 291
5.2.1 Die Fundamentalgleichung......................... 291
5.2.2 Die thermodynamische Temperatur................. 292
5.2.3 Reine Gase ...................................... 297
5.2.4 Reine Flu¨ssigkeiten ............................... 297
5.2.5 Reine Stoffe im gesamten Zustandsgebiet ............ 298
5.2.6 Gasgemische..................................... 299
5.2.7 Gas/Dampf-Gemische............................. 303
5.2.8 Flu¨ssige Gemische ................................ 304
5.3 Die Entropie bei chemischen Zustands¨anderungen .......... 306
5.3.1 Die Reaktionsentropie............................. 306
5.3.2 Der Entropienullpunkt ............................ 307
5.4 Entropie und Energiequalit¨at ............................ 310
5.4.1 Exergie und Anergie .............................. 311
5.4.2 Die Exergie eines Stoffstromes ..................... 312
5.4.3 Exergieverlustund Entropieproduktion.............. 320
5.4.4 Exergetische Bewertung ........................... 321
5.5 Kontrollfragen ......................................... 327
5.6 Aufgaben.............................................. 328
6. Modellprozesse fu¨r Energieumwandlungen ................ 333
6.1 Grundprozesse ......................................... 334
6.1.1 Reversible Str¨omungsprozesse...................... 334
6.1.2 Reversibel-isotherme Arbeitsprozesse................ 335
6.1.3 Reversibel-adiabate Prozesse....................... 337
6.2 Die Umwandlung von Brennstoffenergie in Arbeit........... 345
6.2.1 Das Dampfkraftwerk.............................. 349
6.2.2 Die Gasturbine................................... 364
6.2.3 Das Kombi-Kraftwerk............................. 369
6.2.4 Das Strahltriebwerk .............................. 378
6.2.5 Verbrennungsmotoren............................. 384
6.3 W¨arme- und K¨alteerzeugung............................. 388
6.3.1 Die W¨armepumpe ................................ 389
6.3.2 Kraft-W¨arme-Kopplung........................... 397
6.4 Abweichungen vom reversiblen Prozess .................... 406
6.4.1 Isentrope Wirkungsgrade.......................... 406
6.4.2 Polytrope Wirkungsgrade ......................... 414
X Inhaltsverzeichnis
6.5 Kontrollfragen ......................................... 416
6.6 Aufgaben.............................................. 417
7. Modellprozesse fu¨r Stoffumwandlungen ................... 427
7.1 Grundprozesse ......................................... 427
7.1.1 Die Grundtypen der Ausgleichsprozesse ............. 428
7.1.2 Das chemische Potenzial .......................... 436
7.1.3 AusgleichsprozesseundGleichgewichtinabgeschlosse-
nen Systemen.................................... 438
7.1.4 Ausgleichsprozesse und Gleichgewicht in technischen
Anlagen......................................... 442
7.2 Thermodynamische Gleichgewichte ....................... 447
7.2.1 Das Verdampfungs- und Kondensationsgleichgewicht.. 448
7.2.2 Das Verdunstungs- und Absorptionsgleichgewicht..... 457
7.2.3 Das Reaktionsgleichgewicht........................ 464
7.3 Thermische Stoffumwandlungen .......................... 470
7.3.1 W¨armeu¨bertragung............................... 470
7.3.2 Die Verdunstung ................................. 483
7.3.3 Die Absorption................................... 493
7.3.4 Die Rektifikation ................................. 503
7.4 Chemische Stoffumwandlungen........................... 519
7.4.1 Der isotherme Reaktor ............................ 519
7.4.2 Der adiabate Reaktor ............................. 523
7.4.3 Reaktor mit Temperaturprofil...................... 526
7.5 Abweichungen vom Gleichgewichtsprozess ................. 531
7.5.1 Wirkungsgrad eines W¨armeu¨bertragers.............. 531
7.5.2 Wirkungsgrad einer thermischen Trennstufe ......... 531
7.5.3 Wirkungsgrad einer chemischen Stoffumwandlung .... 532
7.6 Kontrollfragen ......................................... 533
7.7 Aufgaben.............................................. 534
Anhang A Stoffdaten ........................................ 539
TabelleA1 ................................................. 539
TabelleA2 ................................................. 558
TabelleA3 ................................................. 560
TabelleA4 ................................................. 564
TabelleA5 ................................................. 564
TabelleA6 ................................................. 565
AbbildungA1............................................... 566
Anhang B Wichtige Formeln................................. 567
B1 Stoffmodelle fu¨r Reinstoffe............................... 567
B2 Stoffmodelle fu¨r Gemische ............................... 568
B3 Stoffmodelle fu¨r Phasen- und Reaktionsgleichgewichte....... 571